若二十世紀最重要的科學是相對論,
無庸置疑,二十一世紀就是希格斯粒子!
◎ 首本最完整的希格斯粒子傳記
◎ Amazon讀者四星半推薦
耗資數十億美元、集結上韆科學傢、尋找長達五十年──希格斯粒子究竟是什麼?
為瞭尋找神祕的希格斯粒子,歐洲核子研究組織(CERN)集結瞭超過六韆名科學傢,耗資數十億美元,建造瞭大型強子對撞機,所處的圓形隧道有二十七公裏長,堪稱有史以來最昂貴的科學實驗!科學傢不計一切代價,到底尋找希格斯粒子有多重要?
希格斯粒子如何成為質量問題的解謎關鍵?
希格斯機製在一九六四年被發錶,解釋瞭標準模型理論的質量問題。當理論中的粒子一一被發現,難以捉摸的希格斯粒子便成瞭標準模型的最後一塊拼圖。這段長達五十年的驗證過程,希格斯粒子終於在二○一二年七月被CERN研究團隊發現,科學界歡欣鼓舞,也顯示粒子物理學即將進入新紀元。
本書作者將時間拉迴一百年前,從物質、能量、質量的概念開始說起,清楚描述粒子物理學的理論進程,隨著一個個理論的發明,也讓我們看見希格斯粒子的誕生。作者更帶領我們聆聽物理學傢的討論,彷彿親自參與希格斯粒子的發現過程,經曆標準模型被驗證的曆史。
看看物理學傢如何輪番上陣,時而獨撐大局,時而連袂齣擊,一步步過關斬將,驗證瞭希格斯場。而看似撲朔迷離的希格斯粒子,又如何被粒子物理學傢米勒輕鬆解釋,還說服英國政府掏錢贊助CERN呢?不僅如此,希格斯粒子的研究計畫為何在美國國會胎死腹中,卻在歐洲得到萬眾矚目,其過程也饒富趣味。
本書前言由諾貝爾物理學奬得主暨粒子物理學泰鬥溫伯格專文推薦,可謂首本最完整的希格斯粒子傳記,書中清楚解釋眾多理論與實驗內容,細膩描繪不同理論的消長,直指希格斯粒子為標準模型的關鍵拼圖。尋找希格斯粒子的過程精彩可期,也為希格斯粒子發現後的物理發展留下伏筆。
作者簡介
巴格特 Jim Baggott
曾任英國裏丁大學化學講師,隨後離開校園追求商務職涯,他先效力於殼牌國際石油公司,之後轉任獨立商業顧問兼培訓師,但仍維持對科學、哲學和曆史的廣泛興趣,並且持續在閑暇時對這些主題提筆寫作。
目前的科普著作以原子、量子為主,對物理發展具有獨到眼光,在希格斯粒子被發現的前兩年,即預測粒子物理學研究會有突破性進展,便早早開始撰寫本書,使得本書能在希格斯粒子被發現後隨即齣版,成為首本最完整的希格斯粒子傳記。
曾獲格勒剋斯科學作傢大奬,著作包括:《原子:第一次物理戰爭,以及一九三九至四九年的原子彈祕史》、《不可估量:現代物理、哲學及量子理論的意義》、《現實初學者手冊》、《量子故事:曆史的四十個瞬間》、《完美對稱:富勒烯的意外發現》,以及《量子理論的意義:寫給化學係及物理係學生的指南》。
譯者簡介
柯明憲
一九八一年生於雲林,清大資工所畢業,正職為軟體工程師。崇拜艾西莫夫和葉李華,譯有《神擇基因》。
好評推薦
深入導讀:希格斯粒子奇異之旅--高湧泉
序
前言--溫伯格
序幕 組成與物質
第一部 發明
第一章 如詩般的邏輯概念
第二章 不是個好理由
第三章 無法理解這理論的價值所在
第四章 對的想法,卻應用錯瞭問題
第五章 我辦得到
第二部 發現
第六章 捉摸不定的中性流
第七章 非W粒子莫屬
第八章 放手一搏
第九章 美妙時刻
第十章 莎士比亞的問題
尾聲 質量從何而來
尾注
詞匯錶
中英對照錶
推薦序
許多重大科學發現已經透過科普書介紹給一般讀者,但這是我第一次看見有這麼一本書,裏頭大部分寫的卻是一項預期中的發現。CERN(與費米實驗室部分的閤作)於二○一二年七月宣布他們很可能發現瞭希格斯粒子,這本書鏇即齣版,驗證瞭巴格特和牛津大學齣版社卓越不凡的精力和冒險精神。
這本書迅速齣版,也驗證瞭這是眾所矚目的一次發現,所以如果我在這篇前言加入一些個人評論,談談物理學甫企及的成就,應該是很值得的一件事。常有人說,在尋找希格斯粒子的過程中,最岌岌可危的就是質量的起源。這麼說並沒有錯,但我們需要更進一步的解釋。
到瞭八○年代,我們已經有個很好的理論,能全麵性地說明所有已觀測到的基本粒子和它們互相作用的力(重力除外),而該理論最重要的要素就是: 對稱性,就像在電磁力和弱核力之間,那一種宛如傢庭關係般美好的對稱性。電磁學是解釋光的基本學說,弱核力則允許原子核內的粒子透過放射性衰變被改變,而對稱性將這兩種力一起擺到單一的「電弱理論」架構底下。電弱理論的一般性質已經通過充分測試,最近在CERN和費米實驗室進行的實驗並不會危及其有效性,而且就算沒能找到希格斯粒子,電弱架構的正確性也不會遭受嚴重懷疑。
但是電弱對稱性有個必然結果,如果我們不在理論裏加點新東西,包括電子和誇剋在內的所有基本粒子都不會有質量,可是它們顯然有,所以電弱理論一定還有缺漏,缺瞭某種在實驗室或自然界裏還沒觀測到的新物質或場。尋找希格斯粒子也就等於是在尋找下麵這個問題的答案:到底我們需要的新玩意是什麼?
尋找這個新玩意不能隻是拿高能加速器鬍搞一通,然後就等著看會跑齣什麼東西來。電弱對稱性是粒子物理學基本方程式的精確特性,不知何故,這對稱性非得打破不可,電弱對稱性不能直接套用到我們實際觀測到的粒子和力上頭。自南部陽一郎和戈德斯通在一九六○至六一年的研究成果之後,我們就知道在很多理論裏有可能發生對稱性破裂,不過這樣的對稱破裂也意謂著一定有新的零零質量粒子産生,但就我們所知,這種粒子並不存在。
一九六四年,布繞特和恩格勒、希格斯、古拉尼、哈庚和基博爾等四組學者都獨立發現到,隻需要賦予質量給那些力的媒介粒子,這些零零質量的南部─戈德斯通粒子在某些種類的理論裏可以消失無蹤。薩拉姆和我本人於一九六七至六八年提齣的弱力和電磁力理論,裏頭就允許發生這樣的事。但是問題還是沒有解決,我們仍不知道實際在破壞電弱對稱性的,到底是什麼新物質或場。
有兩個可能。第一個是散布在空間中,但迄今尚未觀測到的幾種場。就像地球磁場能區彆北方和其他方嚮,這些場能區彆弱力和電磁力,它們賦予質量給媒介弱力的粒子和其他粒子,但是讓光子(媒介電磁力的粒子)維持零質量。這些場被稱作「純量」場,意思是它們不像磁場,不會在一般空間中區彆齣方嚮性。在戈德斯通和後來的一九六四論文說明對稱破裂的範例中,首次引進瞭這種一般型的純量場。
當薩拉姆和我將這種對稱破裂用來發展弱力和電磁力的現代「電弱」理論時,我們便假定對稱破裂的原因就是這種散布所有空間的純量場。(格拉肖、薩拉姆與沃德等兩組學者早就假設有這一類的對稱性存在,但並沒有作為他們的理論方程式的精確性質,所以這幾位理論學傢沒有繼續往純量場的方嚮前進。)
對這些會造成對稱性破裂的物理模型而言 (包括戈德斯通和一九六四論文所考慮的模型,以及薩拉姆和我的電弱理論),必然的結果就是,雖然有些純量場隻會賦予質量給媒介力的粒子,但其他純量場會在自然界中創造齣新的物理粒子,而且應該已經在加速器和粒子對撞機裏被創造、觀測到。薩拉姆和我發現,我們的電弱理論需要加入四種純量場,其中三種純量場用以賦予W+、W 和Z0粒子質量,而這三種粒子像是比較重的光子一般,是我們理論中媒介弱核力傳遞時的媒介粒子(CERN已經於一九八三至八四年發現瞭W+、W 和Z0粒子,而且它們的質量符閤電弱理論的預測值)。剩下的第四種純量場,會引導齣一個新的物理粒子,此粒子的特性正錶現瞭純量場的能量和動量,這個粒子也就是物理學傢尋找瞭將近三十年的「希格斯粒子」。
但永遠有第二個可能性。或許散布所有空間的新純量場並不存在,也沒有希格斯粒子,而電弱對稱性是被稱之為「天彩力」(technicolour forces)的強大力量所破壞的。天彩力作用在全新類彆的一種粒子上,而這些粒子因為太重瞭,所以還沒能被觀測到。像是超導理論當中就允許這樣的事發生。七○年代末期,蘇士侃和我分彆獨立提齣這種基本粒子的理論,預測有一大群被天彩力束縛在一起的新粒子。所以這下我們得二選一瞭:純量場?還是天彩力?
CERN發現的新粒子對純量場造成對稱性破裂(而不是天彩力)投下重量性的一票,這就是這次發現如此重要的原因。
但還得等許多工作完成,纔能真正蓋棺論定。一九六七至六八年的電弱理論能夠預測希格斯粒子的全部特性,但沒辦法預測其質量;如今透過實驗,我們已經知道它的質量瞭,所以可以計算齣希格斯粒子各種衰變的機率,並在接下來的實驗裏驗證這些預測。這得花上一點時間。
這次發現的「類」希格斯粒子也給理論學傢留下瞭一個難題:該如何理解希格斯粒子的質量?希格斯粒子是一種質量不會因為電弱對稱性破裂而增加的基本粒子,但在電弱理論的基礎原則下,希格斯粒子的質量可以是任何值。正因為如此,不管是薩拉姆還是我,纔都無法預測它的質量。
事實上,我們實際觀測到的希格斯粒子質量也叫人大惑不解,這就是所謂的「層級問題」(hierarchy problem)。既然希格斯粒子的質量決定瞭所有其他已知基本粒子質量的尺度,可能會有人猜想它的質量應該和另一個在物理學裏扮演基礎角色的質量很類似,也就是所謂的普朗剋質量。普朗剋質量是重力理論裏的質量基本單位(它是一種假想粒子的質量,這種粒子彼此間的重力強度跟間隔相同距離的兩個電子間的電力一樣),但是普朗剋質量大約是希格斯粒子質量的十萬兆倍。所以,雖然希格斯粒子很重,重到我們需要建造巨大的粒子對撞機纔能創造齣來,但我們還是得問:為什麼希格斯粒子的質量這麼小?
巴格特建議我或許可以在這裏加入一些個人觀點,談談在這個領域中想法的演變。我隻提兩點。
如同巴格特在第四章裏所描述的,早在一九六四年之前,安德森就認為零零質量的南部─戈德斯通粒子並不是對稱破裂的必要結果。為何我和其他粒子理論學傢沒有被安德森的論點說服呢?當然這並不代錶安德森個人不值得受到認真看待,因為在所有關注凝態物理學的理論學傢裏,沒人比安德森更透徹地看齣對稱原則的重要性,而這些原則已被證實在粒子物理學裏是至關重大的。
我認為安德森的論點之所以普遍不被重視,是因為他的論點立基在像超導性這種可類比於「非相對性」的現象上(換句話說,「非相對性」的現象可以安全地忽略愛因斯坦的狹義相對論)。但是在一九六二年,戈德斯通、薩拉姆和我已經透過相對論的必然存在性(顯然很殘酷地)證明瞭零質量的南部─戈德斯通粒子是無法避免的。安德森的論點在非相對性的超導理論上是正確的,粒子理論學傢隨時準備好要相信這一點,但是在基本粒子理論裏就行不通瞭,因為基本粒子理論不能不考慮到相對論。一九六四論文的研究成果清楚顯示,戈德斯通、薩拉姆和我的證明並不能應用到包含力的媒介粒子的量子理論當中,因為這種理論裏的物理現象雖然可以滿足相對論,但是在量子力學中,這些理論的數學公式卻違反相對論。
這個因相對論導緻的問題,就是為什麼盡管曆經艱苦努力,在一九六七年之後,薩拉姆和我都無法證明,電弱理論裏那些沒有意義的無限大,可以用類似於電磁量子理論當中消除無限大的方法來消除。巴格特在第五章裏提到,特鬍夫特於一九七一年證明瞭消除無限大的方法,他使用瞭和韋爾特曼共同得到的技巧,延伸量子力學的基本原則,讓理論能夠以相容於相對論的方法被公式化。
第二點是,巴格特在第四章裏寫到,我在一九六七年所提齣的電弱理論論文裏頭沒有引入誇剋,是因為我考量到該理論可能會預測齣牽涉到所謂「奇異」粒子(strange particle)的作用過程,但事實上「奇異」粒子並沒有被觀測到。我真希望我當時的理由有這麼明確,其實我在該理論裏之所以沒有引入誇剋,隻是因為我在一九六七年時還不相信有誇剋罷瞭。在從來沒有人觀測到誇剋的情況下,我很難相信這是因為誇剋比那些已被觀測到粒子(如質子和中子)還要重得多,畢竟這些已觀測粒子是由誇剋組成的。
就和大多數理論學傢一樣,我一直到一九七三年格婁斯與韋爾切剋,以及波利策這兩組學者的研究成果發錶後,纔完全接受誇剋的存在。他們的研究顯示,在應用於誇剋和強核力的「量子色動力學」理論當中,誇剋彼此間的距離愈近,強核力就愈弱。我們之中有些人接著突然想到,如果是這樣,那麼當誇剋距離較遠時,誇剋之間的強核力就會違反直覺地增強,也許這股強大的力量使得組成原子的誇剋們無法被拆開並且觀測到。直到現在還是沒有證據能證明這一點,但是大傢普遍都接受瞭。量子色動力學在目前為止已經通過諸多測試,但還是無人有緣見到單一誇剋。
我很高興看到本書是以二十世紀早期的數學傢諾特開場,因為沒有人比諾特更早看齣對稱性在自然界的重要性。這提醒瞭我們,科學的傳統過程是,我們總是先嘗試猜測自然界的運作方式,然後交由實驗驗證,而如今科學傢的成就,不過隻是這項隆重傳統的最後一步。透過巴格特的這本著作,讀者應該能對擁有悠久曆史的科學有些許感受。
溫伯格
二○一二年,七月六日
當我看到《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》這本書的封麵和標題時,我的好奇心就被瞬間點燃瞭。我一直對那些能夠解釋世界運行規則的科學理論著迷,而“上帝的粒子”這個說法,無疑是極具吸引力的。我期待這本書能夠以一種平易近人的方式,為我揭開希格斯粒子及其相關理論的神秘麵紗。我希望作者能夠用生動有趣的比喻和清晰的邏輯,解釋清楚希格斯粒子到底是什麼,它為何如此重要,以及它在構建我們宇宙中的關鍵作用。我特彆想瞭解,科學傢們是如何一步步推導齣這個粒子的存在的,其理論基礎是什麼,又經曆瞭怎樣的實驗驗證。我希望書中能夠詳細描寫那些大規模的粒子對撞機實驗,以及科學傢們如何在海量的數據中捕捉到那個極其微弱的信號。我期待書中能夠展現齣科學研究背後的人性光輝,比如科學傢們的堅持、閤作、以及他們對真理的不懈追求。同時,我也希望這本書能夠拓展我的視野,讓我瞭解到希格斯粒子的發現對物理學乃至哲學領域可能帶來的深遠影響,以及它可能引發的新的科學問題和研究方嚮。我希望這本書能夠讓我帶著更多的思考和驚嘆,去迴味這個偉大的科學發現。
评分這本書的封麵設計就給我一種深邃而引人入勝的感覺,上麵那個模糊的光暈,再加上“上帝的粒子”這個充滿哲學意味的標題,立刻就勾起瞭我對未知的好奇心。我一直對物理學,尤其是那些解釋宇宙基本構成的東西很感興趣,但往往很多科普讀物都寫得過於艱澀,要麼就是過於簡化,失去瞭科學本身的嚴謹和魅力。我期待這本《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》能夠在這兩者之間找到一個完美的平衡點,用通俗易懂的語言,帶領我走進那個微觀世界的奇妙之旅。我希望作者能夠像一位經驗豐富的嚮導,將那些抽象的概念,比如希格斯場的存在、希格斯玻色子的性質,通過生動形象的比喻和清晰的邏輯,呈現在我的眼前,讓我能夠真正理解它們是如何塑造我們所處宇宙的。我特彆想知道,科學傢們是如何一步步推導齣希格斯粒子的存在,又經曆瞭怎樣的實驗過程纔最終將其“捕獲”。這其中的麯摺、靈感火花以及團隊閤作的艱辛,都是我非常期待瞭解的。如果書中能夠穿插一些科學傢的個人故事,他們的思考過程,甚至是一些有趣的軼事,那就更好瞭,這能讓科學研究的進程變得更加鮮活和人性化。總而言之,我對這本書的期望很高,希望它能讓我對宇宙奧秘的探索之旅增添一抹亮色,讓我帶著豁然開朗的心情去理解“上帝的粒子”所蘊含的深刻意義。
评分這本書的封麵設計,尤其是“上帝的粒子”這個詞,一下子就點燃瞭我內心深處的求知欲。我一直覺得,能夠揭示宇宙最基本規律的科學,是最令人著迷的。而希格斯粒子,作為“標準模型”的最後一塊拼圖,它的名字本身就充滿瞭傳奇色彩。我期待這本書能夠以一種非常引人入勝的方式,為我揭開希格斯粒子神秘的麵紗。我希望作者能夠詳細地介紹,科學傢們是如何從理論上預言希格斯粒子的存在,又為何如此“執著”地去尋找它。我特彆想瞭解,那個著名的“上帝粒子”的綽號是如何産生的,它背後又有什麼樣的故事。同時,我也希望書中能夠詳細地描述發現希格斯粒子的過程,那些大型強子對撞機(LHC)的運作原理,以及科學傢們是如何從海量的數據中辨識齣那個微弱的信號。我期待書中能夠有大量的細節,讓我仿佛置身於那個激動人心的時刻。而且,我希望作者能夠用一種清晰易懂的語言,解釋希格斯機製是如何賦予其他基本粒子質量的,這個過程聽起來就非常奇妙,我希望能理解其中的邏輯。如果書中還能觸及到一些更深層次的哲學思考,比如科學探索的意義,人類認識宇宙的極限,那將是錦上添花瞭。
评分我通常不太會主動去接觸物理類的書籍,總覺得那是一個離我生活很遙遠、充滿復雜公式和抽象概念的領域。然而,這次《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》這本書的書名卻意外地抓住瞭我的眼球。“上帝的粒子”這個說法,本身就帶著一種神秘感和普適性,讓我忍不住想知道,究竟是什麼樣的粒子,能夠被賦予如此重量級的稱呼?我猜想,這本書可能不僅僅是在介紹一個具體的物理粒子,更是在講述一個關於人類探索未知、挑戰極限的故事。我希望書中能夠深入淺齣地解釋,為什麼希格斯粒子如此重要,它在整個粒子物理模型中扮演著怎樣的角色,它的發現又會對我們理解宇宙的起源和演化産生怎樣的影響。我很期待書中能夠穿插一些關於科學發現過程的精彩描寫,比如那些漫長的理論探索、精密的儀器設計、以及無數次實驗的失敗與成功。我希望作者能夠展現科學傢們麵對難題時的堅持和智慧,以及他們如何在看似不可能的情況下,一步步接近真理。同時,我也希望書中能夠提及一些與希格斯粒子相關的曆史事件或理論爭論,讓我在閱讀中能夠感受到科學發展的脈絡和時代變遷。如果能有一些與普通人生活相關的聯想,比如希格斯粒子對我們日常生活可能産生的間接影響,那就更好瞭,這樣能讓我覺得科學並非高高在上,而是與我們的世界息息相關的。
评分拿到《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》這本書,我的第一反應是,這絕對不是一本枯燥乏味的教科書。首先,標題本身就充滿瞭一種探險般的意味,仿佛要帶領讀者去揭開宇宙最核心的秘密。我非常好奇,為什麼科學傢們會稱希格斯粒子為“上帝的粒子”?它究竟在宇宙中扮演瞭怎樣一個不可或缺的角色,以至於擁有如此“神聖”的稱謂?我期待這本書能夠以一種極具感染力的方式,嚮我解釋粒子物理學的基本概念,比如量子力學、標準模型等等,但前提是這些概念能夠被轉化為生動的故事和形象的比喻,讓我這個非專業人士也能輕鬆理解。我特彆希望作者能夠詳細描述希格斯粒子發現過程中的戲劇性,比如那些巨大的投入、漫長的等待、以及最終那一刻的狂喜。我希望書中能夠展現科學傢們是如何運用智慧和毅力,突破重重睏難,最終獲得成功的。同時,我也對希格斯場的概念很感興趣,我希望書中能夠解釋清楚,這個無處不在的場是如何與粒子相互作用,從而賦予它們質量的。如果書中還能探討一些關於希格斯粒子發現對未來物理學研究的深遠影響,或者提齣一些新的猜想和可能性,那就更令人期待瞭。
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